預應力竹節(jié)樁的生產(chǎn)工藝實驗研究
我國從20世紀40年代開始研制生產(chǎn)離心鋼筋混凝土管樁(RC樁，1992年6月先張法預應力混凝土管樁(PC樁、PHC樁)國家標準首次發(fā)布。經(jīng)過近30年的快速發(fā)展，我國管樁行業(yè)生產(chǎn)規(guī)模和產(chǎn)量已居世界首位，大量的管樁產(chǎn)品為我國建筑工程基礎建設做出了重要貢獻。但目前管樁行業(yè)仍存在生產(chǎn)裝備自動化程度不高，高壓蒸汽養(yǎng)護能耗大，生產(chǎn)過程產(chǎn)生的余漿難以得到有效處理等問題，這與國家工業(yè)和信息化部《工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃（2016年～2020年）》中提出的清潔生產(chǎn)相關要求存在較大差距，環(huán)保生產(chǎn)及新產(chǎn)品的研發(fā)與推廣應用還有廣闊的空間。本文通過對竹節(jié)樁的生產(chǎn)試驗研 究，以硅粉作為摻合料配制強度等級為C85的混凝土，并以離心和免蒸壓養(yǎng)護工藝來實現(xiàn)無余漿竹節(jié)樁的生產(chǎn)。
一、混凝土制備
1.1 原材料
水泥：P·O 52.5R水泥。
細骨料：天然江砂，密度2.65g/cm3，細度模數(shù)2.8。
粗骨料：5～20 mm連續(xù)粒級碎石，密度2.71g/cm3。
硅粉：表觀密度2.23 g/cm3，平均粒徑0.2μm。
減水劑：MD150奈系減水劑，減水率為14%。
1.2 配合比設計
配比設計基本條件：混凝土7d設計（出廠）基準強度σ7≥85.0MPa，1d拆模（預應力導入）強度σ1≥75.0MPa，水膠比（W/B）≤0.35，坍落度（4.0±1.5）cm，標準偏差（σ）為3.0MPa。
配比強度σ配：σ配＝σ7＋3σ＝85.0＋3×3.0
＝94.0MPa
水膠比（W/B）：按不同水膠比進行混凝土強度試驗，建立水膠比和抗壓強度關系式σ配＝A′＋B′×B/W，A′、B′為系數(shù)，可通過線性回歸分析得出，本次試驗所得系數(shù)A′=26.80，B′=14.65。正常生產(chǎn)時，根據(jù)實際生產(chǎn)及檢驗情況， 定期對A′、B′進行校驗并重新核定，使B/W～σ7的關系式與實際生產(chǎn)情況更加吻合。根據(jù) 94.0＝26.80＋14.65×B/W關系式得W/B為0.218。
混凝土容積：考慮到混凝土攪拌后內(nèi)部存有一定量的氣孔，根據(jù)含氣量的測定結果，混凝土的設計容積確定為980L/m3。
單位用水量（W）和砂率（S/A）：根據(jù)混凝土拌合物坍落度等相關要求，并結合試配結果，W為120kg/m3，S/A為38.0%。根據(jù)混凝土設計容積，骨料均按飽和面干和絕對容積進行計算，竹節(jié)樁混凝土設計配合比見表1。
表1 混凝土設計配合比
| 骨料最大粒徑/mm | 水膠比 | 砂率/% | 水泥/kg/m3 | 水/kg/m3 | 細骨料/kg/m3 | 粗骨料/kg/m3 | 減水劑/kg/m3 |
| 20 | 21.8 | 38.0 | 550 | 120 | 671 | 1129 | 9.9 |
1.3 配合比試驗
按照設計配合比，對不同硅粉摻量混凝土進行成型及強度試驗，混凝土試件與生產(chǎn)構件同條件進行養(yǎng)護，試驗結果見表2。由表2可知，隨著硅粉摻量的增加，混凝土強度呈上升趨勢，但拌合物黏性加大，當其摻量達到15%時，拌合料不能滿足構件布料成型的和易性需求，試件成型不易密實，導致強度下降。當硅粉摻量較低時，混凝土強度變化不明顯。本試驗硅粉摻量為13%時，混凝土和易性和強度均能滿足配合比設計要求，因此，竹節(jié)樁生產(chǎn)用混凝土按試驗2組的配合比進行混合料制備。
表2 混凝土成型及強度試驗結果
| 試驗組號 | 硅粉摻量/% | 水泥/kg/m3 | 坍落度/cm | 抗壓強度/MPa | |
| 1d | 7d | ||||
| 1 | 15 | 467.5 | 1.5 | 84.2 | 91.2 |
| 2 | 13 | 478.5 | 4.5 | 86.0 | 95.2 |
| 3 | 10 | 495.0 | 5.5 | 76.5 | 80.4 |
| 4 | 7 | 511.5 | 5.0 | 75.3 | 76.9 |
| 5 | 0 | 550.0 | 7.0 | 66.5 | 67.3 |
二、工藝成型
2.1 試驗樁型
試生產(chǎn)樁型選用型號為AG4050 B型樁，其形狀如圖1所示。樁身設有1m間距的節(jié)部中空圓柱體，樁長10m，公稱直徑400mm，竹節(jié)外徑500mm，壁厚65mm。軸方向預應力主筋配置11根PCB 9-1420-35-L-HG-GB/T 5223.3[1]低松弛預應力混凝土用螺旋槽鋼棒，其合計斷面面積與樁非竹節(jié)位置橫截面環(huán)形面積比滿足0.4%以上的設計要求，主筋沿樁橫截面環(huán)形均勻分布，分布圓周直徑為334mm，螺旋筋直徑為4.0mm，螺距110mm，鋼筋保護層24mm，符合主筋鋼材及螺旋筋的保護層厚度須為15mm以上的設計要求。竹節(jié)樁配筋及力學性能指標設計符合JIS A 5373:2010《預制預應力混凝土制品》[2]中E-1 預應力混凝土管樁的相關要求。
2.2 離心工藝
竹節(jié)樁離心成型工藝設計要求為混凝土混合料離心成型后能充分密實，無嚴重分層現(xiàn)象且無余漿產(chǎn)生。離心成型工藝制度分為低速、低中速、中速和高速四個階段。
（1）布料階段轉速（低速）n1的確定：在離心過程中布料階段轉速不宜很大，否則將使混合料迅速密實而不易沿模壁均勻分布，同時還將產(chǎn)生嚴重的分層現(xiàn)象。 根據(jù)竹節(jié)樁內(nèi)壁任一點物料在離心時所受的離心力F和重力G相等的原則，確定布料臨界轉速n0（r/min）：
F＝ma＝mrω2及G＝mg?ω2＝g/r
式中：m為樁內(nèi)壁任一點物料的質量，kg；a為樁內(nèi)壁任一點物料的加速度，m/s2；r為樁內(nèi)壁半徑，m，AG4050樁為0.135m；ω為樁模旋轉角速度，rad/s；g為重力加速度，取9.8。
圖1 竹節(jié)樁外形示意圖
因此，AG4050 B型樁布料臨界旋轉角速度為8.52rad/s，布料臨界轉速n0（30ω/π）為81.4r/min。鑒于離心布料時離心機及管樁模具實際上存在的振動現(xiàn)象，所以，實際生產(chǎn)時低速n1往往比布料臨界轉速n0要大K倍，即：n1＝Kn0，根據(jù)離心機及管樁模具的實際情況，本試驗經(jīng)驗系數(shù)K值為1.42～1.84，則低速n1約為115～150r/min。本試驗采用K值為1.42，則樁內(nèi)壁物料離心加速度約為19.6m/s，即2g。
（2）密實階段（低中速）、過渡階段（中速）和成型階段（高速）離心加速度的確定：參考JC/T2126.6—2012《水泥制品工藝技術規(guī)程 第6部分：先張法預應力混凝土管樁》生產(chǎn)PHC400B95-10型樁，其離心成型工藝制度見表3，結合竹節(jié)樁混凝土混合料使用硅粉的情況，對每階段的離心加速度和離心時間進行調(diào)整，并根據(jù)試驗成型過程最佳效果，確定竹節(jié)樁離心制度，見表4。
表3 PHC 400B型樁離心制度
| 階段 | 離心加速度/g | 管模轉速/r/min | 持續(xù)時間/min |
| 低速 | 1.9 | 127 | 2 |
| 低中速 | 7.5 | 252 | 2 |
| 中速 | 21.0 | 422 | 5 |
| 高速 | 32.0 | 522 | 6 |
| 合計 | 15 |
離心制度與混凝土配合比、離心裝備和管樁模具性能有密切關系，實際生產(chǎn)過程中，管樁模具的平穩(wěn)運轉對離心制度的設定影響更加明顯，同樣的管模轉速，由于管樁模具的振動情況不同，會使物料的離心加速度與理論值存在差距。因此，離心制度在各企業(yè)或不同生產(chǎn)線上均不盡相同。傳統(tǒng)意義上的離心密實成型是流動性混凝土混合料成型工藝中的一種機械脫水密實工藝，因離心力的作用，使得混合料中的空氣和多余水分排出，達到密實并獲得更高的混凝土強度。
表4 AG4050 B型樁離心制度
| 階段 | 離心加速度/g | 管模轉速/r/min | 持續(xù)時間/min |
| 低速 | 2.0 | 115 | 3.5 |
| 低中速 | 10.0 | 257 | 1.0 |
| 中速 | 15.0 | 315 | 1.5 |
| 高速 | 25.0 | 407 | 2.0 |
| 合計 | 8.0 |
隨著混凝土外加劑及摻合料應用技術、混凝土混合料配制技術的發(fā)展與提升，離心成型更加注重混合料均勻密實，無分層和無余漿。僅從表 3和表4的離心制度來看，PHC400管樁和AG 4050竹節(jié)樁的公稱直徑相同，不考慮混凝土混合料的因素，在低中速、中速及高速階段，竹節(jié)樁的離心加速度和離心持續(xù)時間比PHC樁均有較大幅度減少。從各階段離心持續(xù)時間占比來看，如果把低速和低中速稱為“前階段”，把中速和高速稱為“后階段”，則PHC樁的前后階段的離心持續(xù)時間占總時間比分別約為30%和70%，而竹節(jié)樁前后階段的時間占總時間比均約為50%。成型后的竹節(jié)樁內(nèi)壁無余漿且平整光滑，通過樁極限抗彎性能試驗，可以看到樁身混凝土密實且無嚴重分層現(xiàn)象。
竹節(jié)樁無余漿的生產(chǎn)工藝的實現(xiàn)，不僅符合環(huán)保生產(chǎn)的要求，也避免離心分層及膠凝材料的流失對混凝土強度帶來的影響。離心成型后階段離心加速度降低和總的離心時間的縮短對樁生產(chǎn)節(jié)能降耗、提高生產(chǎn)效率有著重要意義。
三、常壓蒸汽養(yǎng)護
常壓蒸汽養(yǎng)護的主要目的是為了在較短的時間內(nèi)使得混凝土達到脫模強度，提高模具的周轉效率。在混凝土離心成型結束到蒸汽養(yǎng)護升溫開始這段預養(yǎng)期，在部分企業(yè)實際生產(chǎn)中常常未能引起重點關注。根據(jù)吳中偉院士提出的混凝土“臨界初始結構強度”及“最佳預養(yǎng)期”的概念，在一定的養(yǎng)護制度下，能夠使殘余變形最小，并獲得最大密實度及最高強度的最低初始結構強度，因此，達到臨界初始結構強度所需的預養(yǎng)時間為最佳靜停期，有效的靜停期對混凝土早期強度的增長至關重要。
常壓養(yǎng)護工藝制度一般分為靜停期（預養(yǎng)期）、升溫期、恒溫期和降溫期。PHC管樁的常壓蒸汽養(yǎng)護工藝制度見表5。
表5 PHC管樁的常壓蒸汽養(yǎng)護制度
| 階段 | 工藝控制參數(shù)及要求 |
| 靜停期 | 時間1-2h |
| 升溫期 | 時間1.5-2h，升溫速度20-30℃/h |
| 恒溫期 | 時間4-6h，恒溫70℃左右 |
| 降溫期 | 時間0.5-1h |
由于竹節(jié)樁外表面有凸起的梯形環(huán)狀素混凝土，盡管竹節(jié)與樁身在設計時已考慮弧形轉角以降低應力集中，但在蒸汽養(yǎng)護時，管樁模具隨溫度的熱脹冷縮和混凝土的硬化，在弧形轉角位置附近易產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象，特別是在脫模時，樁身因施加預應力軸向縮短，而管樁模具因應力釋放軸向伸長，應力集中現(xiàn)象會更加嚴重。采用表5養(yǎng)護制度試驗，脫模后竹節(jié)樁表面易出現(xiàn)肉眼不易發(fā)現(xiàn)的微小裂紋，脫模過程中，樁身表面水分尚未完全蒸發(fā)的瞬間，微小裂紋清晰可見。
為避免竹節(jié)樁在養(yǎng)護過程中形成微小裂紋，提升竹節(jié)樁的表觀和內(nèi)在質量，在PHC管樁的常壓蒸汽養(yǎng)護制度的基礎上，采用微電腦自動養(yǎng)護控制系統(tǒng)程序化調(diào)整和監(jiān)控養(yǎng)護制度，適當增加了靜停期時間，以確保升溫前混凝土達到臨界初始結構強度；大幅增加升溫期時間，并降低恒溫溫度，以控制升溫速率低于15 ℃/h，且勻速升溫，最大限度減少混凝土硬化過程中的應力不均現(xiàn)象；延長降溫期時間，防止養(yǎng)護結束后的急劇降溫而導致模具收縮和混凝土收縮的差距加大，具體養(yǎng)護制度見表6。此外，根據(jù)配合比設計要求確保預應力導入時的混凝土強度 σ1達到75.0MPa，且預應力導入按照循序漸進的原則緩慢對樁身施加預應力。
表6 竹節(jié)樁的常壓蒸汽養(yǎng)護制度
| 階段 | 工藝控制參數(shù)及要求 |
| 靜停期 | 3h |
| 升溫期 | 4h，勻速升溫至恒溫溫度 |
| 恒溫期 | 5h，恒溫55℃ |
| 降溫期 | 2-3h |
四、結論
（1）采用常壓蒸汽養(yǎng)護（免蒸壓）工藝，當硅粉摻入量為13%左右時，能滿足C85混凝土竹節(jié)樁的設計及生產(chǎn)要求。較高的硅粉摻量不僅增加生產(chǎn)成本，而且混凝土的黏性較大，布料成型較為困難。較低的硅粉摻量，混凝土強度變化不明顯，也難達到混凝土設計強度要求。
（2）竹節(jié)樁實現(xiàn)了無余漿的生產(chǎn)目標，與PHC樁相比，在離心工藝方面降低了中速和高速階段的離心加速度，縮短了離心成型時間，符合環(huán)保生產(chǎn)的要求，避免離心分層及膠凝材料的流失對混凝土強度帶來的影響。
（3）竹節(jié)樁的養(yǎng)護工藝與PHC樁相比，靜停期時間增加了1～2h，升溫期時間增加了一倍，恒溫溫度降低約15℃，控制升溫速率不大于15℃/h，且勻速升溫，最大限度減少混凝土硬化過程中的應力不均現(xiàn)象，避免了樁身竹節(jié)部位肉眼不易發(fā)現(xiàn)的微小裂紋。相關竹節(jié)樁產(chǎn)品符合日本相關標準，并在日本建筑工程中得到了應用。